Немного теории

В этом разделе мы более подробно исследуем некоторые из концепций, связанных с проектом, рассмотрев требования к двигателю, работу оптического кодера и конфигурирование прерываний в режиме реального времени на языке Си, а также программу на Си для подсчета импульсов с помощью подсистемы аккумулятора импульсов.

Требования к двигателю. Специфический двигатель, который мы используем — это двигатель постоянного тока, выпускаемый компанией Electro-Craft Corporation. Мы уже рассмотрели основные характеристики двигателя. Однако, имеется ряд дополнительных характеристик, которые требуются для этого проекта, таких, например, как зависимость скорости двигателя от его тока. Так как они не приводятся в информационных данных, мы получим их экспериментально. Будем изменять питающее напряжение, поданное на двигатель, и соответствующую этому напряжению скорость. Для этого подключим частотомер на выход оптического кодера, чтобы определить частоту следования импульсов при заданном питающем напряжении двигателя, и затем вычислим скорость вращения. Одновременно будем измерять также токи двигателя. Результаты эксперимента показаны на рис. 7.17.

Рис. 7.17. Результаты испытаний двигателя

Оптический кодер. Существует широкое разнообразие оптических кодеров для определения скорости вращения вала двигателя. Эти кодеры закрепляются непосредственно на валу, или могут быть связаны с валом какими-либо устройствами. При установке кодера на вращающийся вал, это устройство обеспечивает на выходе прямоугольное напряжение. Кодеры питаются от постоянного напряжения 5 В, и рассчитаны на максимальную скорость вращения в 12 000 об/мин. Мы используем оптические кодеры, чтобы обеспечить измерение скорости вращения двигателя, как описано в [11]. Установка для измерения частоты вращения показана на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Установка для измерения скорости вращения двигателя

Прерывания в режиме реального времени. Мы используем в МК 68HC12 модуль меток реального времени (RTI), периодически прерывая работу 68HC12, чтобы измерить скорость двигателя и скорректировать коэффициент заполнения ШИМ, если это необходимо для стабилизации скорости вращения двигателя. Перед обсуждением программного кода для управления RTI, мы советуем Вам, возобновить в памяти информацию о сбросах и прерываниях. Ниже приведен краткий обзор действий, необходимых, чтобы инициализировать прерывание RTI:

• Инициализируют вектор прерывания по запросу RTI;

• Устанавливают масштабирующий коэффициент RTR[2: 0];

• Устанавливают флаг RTIE разрешения прерываний от RTI в регистре RTICTL;

• Очищают флаг RTIF в регистре RTIFLG;

• Разрешают все маскируемые прерывания прерывания (команда CLI).

Приведенные ниже программный код поможет Вам ознакомиться с работой RTI. В этом примере, мы переходим к программе ISR обработки прерывания RTI, переключая флаг порта PORTP. Если вы исследуете возникающую в результате форму сигнала, показанного на рис. 7.19, с помощью осциллографа или логического анализатора, то сможете измерить период повторения системы RTI прерываний.

Рис. 7.19. Прерывания в режиме реального времени

//********************************************************************

//имя файла: RTI_test.с//

//Port P[0]: Конфигурируется как цифровой выходной порт, обеспечивающий TTL

// совместимые сигналы для управления затвором.

// авторы: Стив Барретт и Даниель Пак

//дата создания: Mar 10, 2003

//последняя редакция: Mar 10, 2004

//********************************************************************

#include < 912b32.h>

#pragma interrupt_handler RTI_isr

//Функции-прототипы

//***************************************************

void initialize_ports(void); //инициализация портов

void RTI_isr(void);

void initialize_RTI(void);

//main program* *******************************************************

void main(void) {

//инициализация вектора сброса для B32

asm(".area vectors(abs)\n"

".org 0xFFF0\n" // инициализация вектора прерывания RTI

".word _RTI_isr\n"

".org 0xFFF8\n" // инициализация вектора сброса для B32

".word 0x8000, 0x8000, 0x8000, 0x8000\n"

".text");

initialize_RTI(); //инициализация модуля RTI

initialize_ports(); //инициализация портов

PORTP = 0x01; // разрешение PORTP вывод 0

asm(" cli"); //разрешение всех маскируемых прерываний

.

.

.

}

//********************************************************************

// определения функций

// ********************************************************************

//Initialize_ports: начальная конфигурация

//для портов входа/выхода

// ********************************************************************

void initialize_ports(void) {

DDRP=0xFF; //порт PORTP устанавливается как выходной

}

// ********************************************************************

//RTI_isr: подпрограмма обслуживания прерываний по RTI

//*********************************************************************

void RTI_isr(void) {

RTIFLG = 0x80; //сбрасывается флаг RTIF

PORTP =~(PORTP); //переключить выходы PORTP

}

// ********************************************************************

// ********************************************************************

//initialize_RTI: конфигурирует модуль RTI

// ********************************************************************

void initialize_RTI(void) {

RTICTL = 0x86; // устанавливается таймер RTI

RTIFLG = 0x80; //сбрасывается флаг RTIF

}

// ********************************************************************

Аккумулятор импульсов. Число импульсов, поступающих от оптического кодера, подсчитывается аккумулятором импульсов (PA). Он инициализируется в начале программы и затем фиксирует текущее число импульсов за интервал каждого прерывания RTI. По известному интервалу времени между прерываниями RTI (32.768 мс) можно определить число импульсов, поступивших на PA между двумя прерываниями, и затем вывести на дисплей скорость вращения двигателя. Для конфигурации PA системы существует специальный код.

// **********************************************************************

//initialize_PA: инициализация модуля аккумулятора импульсов МК 68HC12

// **********************************************************************

void initialize_PA(void) {

TIOS = 0x00; //Конфигурировать канал 7 для работы счетчика импульсов

TCTL1 = 0x00; //кодера - 3 оператора

OC7M = 0x00;

TSCR = 0x80; //Установить бит разрешения таймера

PACTL = 0x70; //Разрешить работу PA, режим счета событий, событие

// по фронту импульса,

}

Объединим теперь эту программу с программой для RTI, чтобы подсчитать число импульсов кодера, появившихся за интервал прерывания. Получив, этот результат, преобразуем его в число об/мин и выведем полученное значение на ЖК индикатор.

// **********************************************************************

//имя файла: motor.с

//автор: Steve Barrett and Daniel Pack

//дата создания: Mar 10, 2003

//последняя редакция: Mar 25, 2004

// **********************************************************************

// включенные файлы *****************************************************

#include < 912b32.h>

#pragma interrupt_handler RTI_isr //объявить подпрограмму прерывания по RTI

// функции-прототипы ****************************************************

void initialize_ports(void); //инициализировать порты

void RTI_isr(void); //подпрограмма обслуживания прерываний RTI

void initialize_RTI(void); // инициализировать систему RTI

void initialize_PA(void); //инициализировать аккумулятор импульсов (PA)

void initialize_LCD(void); // инициализировать ЖК индикатор

void display_count_LCD(unsigned int); //вывод текущего содержимого аккумулятора PA

// на ЖК индикатор

void putchars(unsigned char); //функция поддержки ЖКИ - вывести символ

void putcommands(unsigned char); // функция поддержки ЖКИ вывести команду

void delay_5ms(void); //задержка 5 мс

void delay_100us(void); //задержка 100 мкс

unsigned int old_count; //последнее значение, записанное в (PA)

int RTI_int_count =0; //используется для подсчета RTI прерываний

//главная программа****************************************************

void main(void) {

asm(".area vectors(abs) \n" //inline assembly statement

".org 0xFFF0\n" //инициализация вектора прерываний RTI

".word _RTI_isr\n"

".org 0xFFF8\n" // инициализация вектора reset для 68HC12 B32

".word 0x8000, 0x8000, 0x8000, 0x8000\n"

".text");

void initialize_ports(void); // инициализация портов

initialize_LCD(); //инициализация ЖКИ

initialize_RTI(); //инициализация модуля RTI

initialize_PA(); //инициализация аккумулятора импульсов

asm(" cli"); //разрешение глобального маскирования

//прерываний

while(1) //продолжение цикла до следующего прерывания

{

;

}

}

//********************************************************************

//********************************************************************

//initialize_ports: определяет направление передачи портов

//********************************************************************

void initialize_ports(void) {

DDRP = 0xFF; // порт PORTP устанавливается как выходной для ШИМ

DDRT = 0x00; // PORTT устанавливается как входной, вывод PORTT[7]

// в качестве входа аккумулятора импульсов PA

DDRB = 0xFF; // PORTB устанавливается как выходной - порт

// данных для ЖКД

DDRDLC = 0xFF; // PORT DLC устанавливается как выходной - сигналы

// управления для ЖКИ

}

//********************************************************************

//RTI_isr: подпрограмма прерывания по RTI

//********************************************************************

void RTI_isr(void) {

unsigned int new_count;

unsigned int pulse_count;

float max_count = 65535.0;

new_count = PACNT; //передается текущее число импульсов, записанное в PA

if (new_count > old_count) //определяется приращение числа импульсов

pulse_count = new_count - old_count;

else pulse_count = (unsigned int)(max_count-(float)(old_count = new_count));

RTI_int_count = RTI_int_count + 1; // изменяется показание счетчика

//RTI-прерываний

if (RTI_int_count == 10) // изменяется показание ЖКД через

// каждые 10 прерываний

{

display_count_LCD(pulse_count); //изменяется ЖКИ

RTI_int_count = 0; //сбрасывается счетчик прерываний RTI

}

old_count = new_count;

RTIFLG = 0x80; //сбрасывается RTI

}

// ********************************************************************

// initialize_RTI: конфигурирует регистры, связанные с RTI

// - регистр RTICTL

// -- разрешает работу модуля RTI установкой бита RTIE

// -- период RTI в 32.768 мс

// - сбрасывает бит RTIF в регистре флагов (RTIFLG)

// ********************************************************************

void initialize_RTI(void) {

RTICTL = 0x86; // устанавливается период RTI на 32.768 мс

RTIFLG = 0x80; //сбрасывается флаг RTIF

}

// ********************************************************************

//initialize_PA: инициализация модуля аккумулятора импульсов

// ********************************************************************

void initialize_PA(void) {

TIOS = 0x00; // Конфигурирует канал 7 для работы

TCTL1 = 0x00; // счетчика импульсов оптического кодера

OC7M = 0x00;

TSCR = 0x80; // устанавливает бит разрешения работы таймера

PACTL = 0x70; // разрешает работу РА, режим счета событий,

// по фронту импульса,

}

/********************************************************************/

/* initialize_LCD: инициализации ЖКИ */

/* передает на ЖКИ стартовую последовательность команд управления */

/* - PORTDLC[3]: линия управления RS ЖКИ */

/* - PORTDLC[2]: линия управления E для ЖКИ */

/* - PORTB: двунаправленная магистраль данных для ЖКИ */

/********************************************************************/

void initialize_LCD(void) {

delay_5ms();

delay_5ms();

delay_5ms(); /*ожидание в течение 15 мс перед включением ЖКИ */

putcommands(0x38); /*разрядность данных интерфейса 8 бит */

delay_5ms(); /*задержка */

putcommands(0x38); /*интерфейс в 8 бит */

delay_100us(); /*задержка */

putcommands(0x38); /* разрядность данных интерфейса 8 бит */

putcommands(0x38); /* интерфейс в 8 бит */

putcommands(0x0C); /*включение дисплея */

putcommands(0x01); /*очистка дисплея */

putcommands(0x06); /*установка режима инкремента адреса */

putcommands(0x00);

putcommands(0x00);

putcommands(0xC0); /*курсор на линию 2 знакоместо 1 */

putchars('R'); /* вывести " PRM" - скорость */

/*в об/мин на строку 2 ЖКИ */

putchars('P');

putchars('M');

}

/********************************************************************/

/*putchars: функция посылает ASCII код для вывода на ЖКИ */

/********************************************************************/

void putchars(unsigned char c) {

PORTB = c; /*вывести на порт PORTB код символа */

PORTDLC = PORTDLC|0x08; /*установить RS в 1 для передачи данных */

PORTDLC = PORTDLC|0x04; /*установить E в 1 */

PORTDLC = 0x00; /* установить E и RS в 0 */

delay_100us(); delay_100us();

}

/********************************************************************/

/*putcommands: функция посылает команду управления ЖКИ */

/********************************************************************/

void putcommands(unsigned char d) {

PORTDLC = PORTDLC& 0xF7; /*установить RS в 0 для передачи команды */

PORTDLC = PORTDLC|0x04; /*установить E в 1 */

PORTDLC = 0x00; /* установить E и RS в 0 */

delay_100us();

delay_100us();

}

/********************************************************************/

/* delay_5ms: программная задержка 5 мс */

/********************************************************************/

void delay_5ms(void) {

int i;

for (i=0; i< 50; i++) {

delay_100us();

}

}

/********************************************************************/

/* delay_100us: программная задержка в 100 мс */

/********************************************************************/

void delay_100us(void) {

int i;

for(i=0; i< 800; i++) {

asm(" nop"); /*выполнение команды nор ассемблера занимает 1 период*/

}

}

/********************************************************************/

/* display_count_LCD: преобразует целое число в ASCII символ */

/* для вывода на ЖКИ */

/********************************************************************/

void display_count_LCD(unsigned int count) {

unsigned int thousands_int;

unsigned int hundreds_int;

unsigned int tens_int;

unsigned int ones_int;

char thousands;

char hundreds;

char tens;

char ones;

/*выбирает и преобразует наибольшую значащую цифру в десятичное */

/* значение + 48, образуя ASCII код */

thousands_int = count/1000;

thousands = (char)(thousands_int + 48);

/*выбирает и преобразует следующую наибольшую значащую цифру */

/* в десятичное значение + 48, образуя ASCII код */

hundreds_int = (count - thousands_int*1000)/100;

hundreds = (char)(hundreds_int + 48);

/*выбирает и преобразует следующую наибольшую значащую цифру */

/* в десятичное значение + 48, образуя ASCII код */

tens_int = (count - thousands_int*10 0 0 - hundreds_int*100)/10;

tens = (char)(hundreds_int + 48);

/*выбирает и преобразует следующую наибольшую значащую цифру */

/* в десятичное значение + 48, образуя ASCII код */

ones_int = (count-thousands_int*1000-hundreds_int*100-tens_int*10);

ones = (char)(ones_int + 48);

/*выводит результат на ЖКИ*/

putcommands(0x80); /*курсор ЖКИ переводится на строку 1, позицию 1*/

putchars(thousands);

putchars(hundreds);

putchars(tens);

putchars(ones);

}

/********************************************************************/

/********************************************************************/

Анализ

В предыдущем разделе мы рассказали, как измерить скорость вращения двигателя и отобразить ее в оборотах в минуту. В этом разделе мы замкнем контур обратной связи. Для этого мы сравним мгновенную скорость вращения с опорным значением, чтобы затем скорректировать коэффициент заполнения ШИМ и стабилизировать скорость вращения двигателя на желательном уровне при изменении нагрузки двигателя.

Стабилизируем скорость двигателя на уровне 1600 об/мин. Чтобы сделать это, мы должны определить требуемый коэффициент заполнения ШИМ для 1600 об/мин. Из полученного нами графика (рис. 7.17) мы видим, что для обеспечения скорости вращения приблизительно в 1600 об/мин, необходимо подать на двигатель напряжение в 8 В. При питании двигателя от источника в 12 В соответствующий коэффициент заполнения ШИМ составит 66.7 % (8 В/ 12 В).

Чтобы достичь коэффициента заполнения ШИМ в 66.7%, установим значение периода ШИМ на 256 единиц, а коэффициент заполнения ШИМ на 172 единицы.

Как мы уже указывали при предыдущем обсуждении системы ШИМ, эти значения устанавливаются в регистрах PWPER0 и PWDTY0, соответственно.

Мы используем сигнал управления ШИМ с частотой 976 Гц. Для этого частоту таймера ШИМ, равную 8 МГц, необходимо поделить на 32. При этом мы получим частоту в 250 кГц (период 4 мкс) и используем ее в качестве синхронизирующей для системы ШИМ. Поскольку мы используем период в 256 импульсов, частота управления ШИМ будет равна 976 Гц (период = 4 мкс/импульс& #215; 256 импульсов).

Ниже приведен исходный текст программы, позволяющей изменять коэффициент заполнения ШИМ, чтобы стабилизировать скорость на уровне 1600 об/мин.

Эта функция используется начальной установки скорости вращения двигателя.

/********************************************************************/

/*init_PWM(): инициализация модуля ШИМ контроллера 68HC12 */

/********************************************************************/

void init_PWM() {

PWTST = 0x00; /*Установить порт ШИМ в нормальный режим */

PWCTL = 0x00; /*установить режим фронтовой ШИМ */

PWCLK = 0x28; /*без объединения каналов, ECLK/128*/

PWPOL = 0x01; /*активный уровень 1 */

DDRP = 0xFF; /*Порт P конфигурировать как выходной */

PWEN = 0x01; /*установить выход ШИМ */

PWPER0 = 255; /*установить для ШИМ период, соответствующий 976 Гц */

PWDTY0 = 171; /*установить начальный коэффициент заполнения */

/* на отсутствие движения */

}

/********************************************************************/

Если в процессе выполнения программы обработки прерывания RTI скорость вращения превышает 1600 об/мин, коэффициент заполнения ШИМ уменьшается на 1. С другой стороны, если скорость вращения меньше, чем 1600 об/мин, коэффициент заполнения ШИМ увеличивается на 1. Каждое приращение или снижения коэффициента заполнения ШИМ приводит к изменению скорости на 8.5 об/мин. Попробуйте вычислить это изменение в качестве домашней работы (задание 19).

Код, позволяющий сравнить опорную скорость с действительной и скорректировать ее обеспечивается в программе обработки RTI прерывания (RTLISR). В этой распечатке кода, функции поддержки ЖКД были помещены в файл для включения LCD.H с их функциями-прототипами.